(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板内部を板波が伝搬するようにオイラー角（０°、３７．８５°、０°）によってカット形成された水晶基板と、この水晶基板の表面に板波を励振させる少なくとも１つの励振電極膜と、裏面に周波数の調整を行う周波数調整膜とを備え、
前記水晶基板の板厚をＨ、励振電極膜及び周波数調整膜がＡｕを主成分とする材料からなり、励振電極膜の膜厚をＨｓ、周波数調整膜の膜厚をＨｂ、板波の波長をλとした場合に、
規格化された板厚Ｈ／λが、１．００＜Ｈ／λ＜１．２９、且つ
規格化された励振電極膜の膜厚Ｈｓ／λ及び規格化された周波数調整膜の膜厚Ｈｂ／λが、０．００５＜（Ｈｓ／λ＝Ｈｂ／λ）＜０．０１３
である条件を満たし、
前記水晶基板から位相速度が４５００〜６０００ｍ／ｓの範囲の板波を選択して振動モードとしたことを特徴とする弾性波素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンピュータや通信機器等における高周波発振源に用いられる弾性波素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、各種の電子機器に搭載されている発振源としては、主にＡＴカットの水晶振動子が多く用いられ、高周波で使用する場合はＰＬＬによって所定の周波数に逓倍して使用している。また、高周波でノイズ等の少ない信号を必要とする場合は、弾性表面波を利用した共振子を直接発振源として使用する場合もある。
【０００３】
ＡＴカットによる水晶振動子は、安定した周波数特性が得られることから、多くの電子機器の発振源として用いられているが、高速動作するコンピュータや通信機器などの高周波発振源として用いる場合は、厚みを薄くしたり、平坦度を上げたりするなどの高精度の加工技術が必要とされている。
【０００４】
一方、弾性表面波は、圧電基板の表層面に発生する縦波あるいは横波を利用したものであり、その周波数は速度に比例し、波長に反比例する特性を有している。この弾性表面波を用いたデバイスは、所定のカット角で形成された圧電基板の表面に複数の電極指を櫛形状に配置してなる櫛形励振電極を形成し、この櫛形励振電極の膜厚や各電極指のピッチを調整することによって、所定の発振周波数を得るようになっている。
【０００５】
特許文献１に開示されている圧電デバイスは、回転Ｙカット水晶基板に生じる弾性表面波の中のラム波モードを用いたものであり、水晶基板の表面に櫛形励振電極を有し、裏面に周波数調整用の薄膜を有した構造となっている。この圧電振動子は、温度特性が従来型のＳＴカット共振子と同じ２次温度特性を有している。
【０００６】
特許文献２，３には、ラム波を発振させるための振動子が開示されている。このラム波型の振動子は、３次温度特性が得られる点で、ＡＴカットのような厚みすべり振動子よりも周波数特性の改善が図られている。しかしながら、水晶基板のカット角が２回回転であることから、作製のしやすさや温度特性のばらつき等に課題がある。
【０００７】
また、特許文献４には、オイラー角表示で規定された回転Ｙ板を用いて構成された高周波振動子が開示されている。
【０００８】
なお、上記特許文献２乃至４に開示されている振動子は、圧電基板の表面に櫛形励振電極を配置した構造となっており、圧電基板の裏面には周波数調整目的の薄膜等は設けられていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭５７−６８９２５号公報
【特許文献２】特開２００３−２５８５９６号公報
【特許文献３】特許第４４６５４６４号公報
【特許文献４】特許第４３０６６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記ＡＴカットによる水晶振動子にあっては、周波数精度は高いが、所定の周波数に逓倍する際に、位相雑音や信号の時間的なズレや揺らぎなどによるジッタが発生するなどの問題がある。一方、弾性波素子では、高周波を直接発振することが可能であるため、位相雑音やジッタ特性は良好であるが、発振周波数精度がＡＴカット振動子に比べて劣るといった問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、高周波を直接発振させることができると共に、ＡＴカット振動子並みの周波数精度が得られ、発振器を構成した場合において位相雑音やジッタ特性が良好な弾性波素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の弾性波素子は、基板内部を板波が伝搬するようにオイラー角（０°、３７．８５°、０°）によってカット形成された水晶基板と、この水晶基板の表面に板波を励振させる少なくとも１つの励振電極膜と、裏面に周波数の調整を行う周波数調整膜とを備え、前記水晶基板の板厚をＨ、励振電極膜及び周波数調整膜がＡｕを主成分とする材料からなり、励振電極膜の膜厚をＨｓ、周波数調整膜の膜厚をＨｂ、板波の波長をλとした場合に、規格化された板厚Ｈ／λが、１．００＜Ｈ／λ＜１．２９、且つ規格化された励振電極膜の膜厚Ｈｓ／λ及び規格化された周波数調整膜の膜厚Ｈｂ／λが、０．００５＜（Ｈｓ／λ＝Ｈｂ／λ）＜０．０１３である条件を満たし、前記水晶基板から位相速度が４５００〜６０００ｍ／ｓの範囲の板波を選択して振動モードとしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の弾性波素子によれば、水晶基板が従来にない新規なオイラー角（０°、３７．８５°、０°）によってカット形成されている。このカット角で形成された水晶基板を用い、表面に櫛形励振電極、裏面に周波数調整膜をそれぞれ所定厚みに形成することで、高周波による板波を発生させることができる。また、前記水晶基板の板厚、櫛形励振電極及び周波数調整膜の膜厚を調整することで、３次温度特性を有するとともに、ＡＴカットと略同程度の周波数精度を備えた高周波の発振を基本波で得ることができる。これによって、位相雑音やジッタ特性が良好な弾性波素子の提供が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る弾性波素子の斜視図である。
【図２】水晶基板をカット形成するオイラー角座標図である。
【図３】本発明のオイラー角における水晶基板単体での板波の位相速度の分散を示すグラフである。
【図４】上記オイラー角によって形成される水晶基板に所定厚みの櫛形励振電極及び周波数調整膜を形成した場合の板波の位相速度の分散を示すグラフである。
【図５】オイラー角と１次及び２次の温度係数との関係を示すグラフである。
【図６】オイラー角と電気機械結合係数との関係を示すグラフである。
【図７】水晶基板の板厚とＡｕによる櫛形励振電極の膜厚との関係における温度特性を示すグラフである。
【図８】水晶基板の板厚と板波の位相速度との関係を計算値と実験値で示したグラフである。
【図９】周波数調整膜と板波の位相速度との関係を計算値と実験値で示したグラフである。
【図１０】水晶基板の板厚と１次温度係数との関係を計算値と実験値で示したグラフである。
【図１１】水晶基板の板厚と２次温度係数との関係を計算値と実験値で示したグラフである。
【図１２】周波数調整膜の膜厚と１次温度係数との関係を計算値と実験値で示したグラフである。
【図１３】周波数調整膜の膜厚と２次温度係数との関係を計算値と実験値で示したグラフである。
【図１４】本発明の弾性波素子と他のカット角による振動子の温度特性を比較したグラフである。
【図１５】水晶基板の板厚とＡｌによる櫛形励振電極の膜厚との関係における温度特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の弾性波素子の実施形態を添付図面に基づいて説明する。本実施形態の弾性波素子１１は、図１に示すように、薄板状の水晶基板１２と、この水晶基板１２の表面１２ａに形成される櫛形励振電極（励振電極）１３と、水晶基板１２の裏面１２ｂに形成される周波数調整膜１４とを備えて構成されている。
【００１７】
前記水晶基板１２は、オイラー角（０°，３７．８５°，０°）によって、所定の板厚にカット形成されている。前記励振電極１３は、櫛歯状のＩＤＴ（Interdigital Transducer）電極１５，１６を対にして構成される。前記ＩＤＴ電極１５，１６は、水晶基板１２の長手方向に沿って延びるベース電極部１５ａ，１６ａと、このベース電極部１５ａ，１６ａの一側面から延びる複数の電極指１５ｂ，１６ｂとを備えている。このように、励振電極１３は、一方のベース電極部１５ａから延びる電極指１５ｂと、他方のベース電極部１６ａから延びる電極指１６ｂとが非接触状態で交差するようにして配置される。前記電極指１５ｂ，１６ｂの電極指間距離（ピッチ）は、励振させる弾性波の波長λに合わせて設定される。また、隣接する電極指のピッチは、前記波長λに対してλ／２程度である。この励振電極１３は、ＩＤＴ電極１５，１６それぞれに極性の異なる電圧を印加することによって、隣接する電極指間に交番電界が発生し、板波が水晶基板１２内に励起される。
【００１８】
前記水晶基板１２は、板厚Ｈが波長λと略同程度まで薄くした回転Ｙカットによって形成されている。前記板厚Ｈは、励振電極１３及び周波数調整膜１４の膜厚とによって、後述するように３次温度特性を有するように調整される。
【００１９】
前記励振電極１３は、図１に示されるように、水晶基板１２の表面１２ａの略中央部に形成される金（Ａｕ）あるいはアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属膜であり、所定の膜厚となるように成膜して形成される。また、この励振電極１３を挟んだ両側に反射器（図示せず）を設けることもできる。反射器を設けることで、前記励振電極１３で励起させた板波を両反射器間に閉じ込めて大きな共振を得ることができる。
【００２０】
周波数調整膜１４は、前記励振電極１３と対向する水晶基板１２の裏面１２ｂに形成される。この周波数調整膜１４は、水晶基板１２の裏面１２ｂにＡｕなどの金属材料、あるいは、誘電材料を所定の膜厚となるように成膜して形成される。前記金属材料は、Ａｕ以外にＡｌ、Ｔａ、Ｃｕなどが使用でき、誘電材料にはＳｉＯ２、ＺｎＯ、Ｔａ２Ｏ５などが使用できる。このような材料で形成される周波数調整膜１４は、膜厚によって発振周波数の微調整を行うと共に、前記励振電極１３との膜厚との関係によって、３次温度特性を保持する。
【００２１】
図２は前記水晶基板１２のカット角を右手系のオイラー角の座標系を用いて示したものである。以下、弾性波素子１１の各種解析並びにカット角の定義に関してはこの座標系を用いて説明する。図３ではオイラー角表記（０°，３７．８５°，０°）で表わされる水晶基板１２内を伝搬する板波について、規格化された励振電極膜厚Ｈｓ／λ＝０、規格化された周波数調整膜厚Ｈｂ／λ＝０における分散曲線を示す。また、図４では、励振電極１３にＡｕを用いて、Ｈｓ／λ＝Ｈｂ／λ＝０．０１３とした場合の分散曲線をそれぞれ示す。ここで、横軸は波数ｋと板厚Ｈの積、縦軸は位相速度である。
【００２２】
図３、図４で示される分散曲線は、縦波と横波が結合した板波あるいはラム波と呼ばれる振動モードである。これらの振動モードは表面波とは異なり板厚に対しても周波数分散性を示す。本実施形態にあっては、位相速度が４５００〜６０００ｍ／ｓに存在する板波を共振子に用いる。
【００２３】
図５はオイラー角（０°，θ，０°）の水晶基板１２内を伝搬する振動モードの温度特性（１次温度係数α、２次温度係数β）とθとの関係を計算によって求めた結果である。ここでは、規格化板厚Ｈ／λ＝１．１９４とし、励振電極と周波数調整膜の膜厚は無視して計算している。図６は右手系オイラー角表記（０°，θ，０°）の水晶基板１２内を伝搬する振動モードの電気機械結合係数Ｋ２とθとの関係を計算によって求めた結果である。
【００２４】
図５について検討すると、１次温度係数α＝０となる切断角度がθ＝３８°又はθ＝１０６°近辺に存在する。２次温度係数βはθ＝３８°の方が小さく、α＝０のときにβ＝０．５ｘ１０−８程度となるため、本発明においては、θ＝３８°近辺のカット角を採用した。ただし、βの方がやや大きいため、このままでは３次温度特性を得ることはできない。しかしながら、θが３５°＜θ＜４０°の条件を満たし、規格化板厚Ｈ／λ、規格化励振電極膜厚Ｈｓ／λ、規格化周波数調整膜厚Ｈｂ／λの組み合わせを後述するように最適化することで、２５℃付近に変曲点を持つ略３次温度特性を得ることができる。
【００２５】
図６について検討すると、電気機械結合係数Ｋ２は、θ＝３５〜４０°の範囲において約０．０８％であり、やや小さめではあるが共振子として用いるには問題ない数値となっている。
【００２６】
次に、規格化板厚Ｈ／λ、規格化励振電極膜厚Ｈｓ／λ、規格化周波数調整膜厚Ｈｂ／λの最適な組み合わせ例を以下に示す。図７は、水晶基板のカット角及び板波の伝搬方向を（０°，３７．８５°，０°）とし、励振電極及び周波数調整膜にＡｕを用いて同じ膜厚（Ｈｂ／λ＝Ｈｓ／λ）とした場合における規格化板厚Ｈ／λと、Ａｕ膜厚ＨＡｕ／λの−２０℃〜＋８０℃の温度変化に対する周波数変化量(＋２５℃基準)との関係を計算によって求めた結果である。
【００２７】
図７に示した計算結果を検討すると、−２５℃〜＋８０℃に対する周波数変化量が±１０ｐｐｍ以内となる領域が存在することが確認できる。量産時における温度特性のバラツキを考慮すると、±１０ｐｐｍ以内となる領域の面積が可能な限り広い部分で設計するのが好ましい。例えば、板厚Ｈに対する製作許容誤差を大きくしたい場合では、横軸に広い部分を目標値とし、励振電極１３及び周波数調整膜１４による製作許容誤差を大きくしたい場合は、縦軸に広い部分を目標値にするとよい。また、３次温度曲線を旋回させたい場合は、ＡＴカット水晶振動子と同様にカット角を僅かにずらすことによって行うことができる。
【００２８】
３次温度特性となるカット角度θ、規格化板厚Ｈ／λ、規格化励振電極膜厚Ｈｓ／λ、規格化周波数調整膜厚Ｈｂ／λによる組み合わせは無数にあり、また、Ｈｓ／λ≠Ｈｂ／λとしても３次温度曲線となる組み合わせも多数存在する。したがって、上記の計算結果に解析誤差も考慮すると、
１．０００＜Ｈ／λ＜１．３５０
０．００３＜Ｈｓ／λ＜０．０２０
０．００１＜Ｈｂ／λ＜０．０２０
の範囲で温度特性が最適となる組み合わせを探すことができる。
【００２９】
次に、位相速度の実験値と解析値について比較した結果を示す。図８は、励振電極及び周波数調整膜にＡｕを用い、規格化励振電極膜厚Ｈｓ／λ＝０．００６、規格化周波数調整膜厚Ｈｂ／λ＝０にて共振子の試作を行い、位相速度と規格化板厚Ｈ／λの関係についての計算値と実験値の比較を行った結果である。図９は、励振電極及び周波数調整膜にＡｕを用い、規格化励振電極膜厚Ｈｓ／λ＝０．０１２、規格化板厚Ｈ／λ＝１．１３９にて共振子の試作を行い、位相速度と規格化周波数調整膜厚Ｈｂ／λの関係についての計算値と実験値の比較を行った結果である。
【００３０】
図８と図９の結果から両者ともに計算値と実験値は略一致しており、位相速度に関して精度が良好であることが確認できた。
【００３１】
次に、温度特性の実験値と解析値について比較した結果を示す。ここでは、励振電極及び周波数調整膜にＡｕを用い、Ｈｓ／λ＝０．０１１、Ｈｂ／λ＝０として共振子の試作を行い、温度特性の測定を行った。図１０に１次温度係数α、図１１に２次温度係数βの板厚依存性についての計算値と実験値を比較した結果を示す。１次温度係数α、２次温度係数β共に、計算値と実験値は略一致している。
【００３２】
図１０に示されるように、１次温度係数αは、Ｈｓ／λに対して２次曲線状に変化している。そのため、２次曲線の頂点付近がα＝０となるように設計することで、Ｈｓ／λによる温度特性のバラツキを低減することができる。２次温度係数は板厚Ｈに大きく影響され、その他のパラメータには影響されにくい。したがって、図１１の実験値からもわかるように、３次温度特性を得るためには電気機械結合係数Ｋ２が小さくなりすぎない範囲でＨ/λを大きく設計する必要がある。
【００３３】
次に、励振電極及び周波数調整膜にＡｕを用いて、Ｈ／λ＝１．０８４、Ｈｓ／λ＝０．０１１として圧電振動子の試作を行い、温度特性の測定を行った。図１２に１次温度係数α、図１３に２次温度係数βの板厚依存性についての計算値と実験値を比較した結果を示す。
【００３４】
図１２に示されるように、１次温度係数αは周波数調整膜の膜厚に対して２次曲線状に変化している。したがって、図１０に示した板厚依存性の場合と同様に、２次曲線の頂点がα＝０となるような条件で設計することで、周波数調整膜のトリミングによる周波数調整後の温度特性の変化を最小にすることができる。２次温度係数に関しては、板厚ほどではないが、周波数調整膜の膜厚が厚くなるほどβ＝０に近づく傾向がある。
【００３５】
図１４は計算結果に基づいて、カット角及び伝搬方向が（０°，３７．８５°，０°）、Ｈ／λ＝１．１４、Ｈｓ／λ＝０．０１０、Ｈｂ／λ＝０．００７として共振子の試作を行い、温度特性の測定を行った結果である。温度特性は３次温度特性となり、従来のＳＴカットＳＡＷ共振子よりも優れた温度特性になっている。また、ＡＴカット振動子と比較しても同等以上の温度特性が得られることが確認できた。
【００３６】
次に励振電極１３の材質としてＡｌを用いた場合について説明する。励振電極１３をＡｌで形成した場合は、Ａｕに対する密度比に応じて規格化励振電極膜厚Ｈｓ／λが求められる。一般にＡｕとＡｌの密度比は約７．２となる。したがって、Ａｕの規格化励振電極膜厚Ｈｓ／λが、０．００３＜Ｈｓ／λ＜０．０２０の範囲であるので、Ａｌの規格化励振電極膜厚Ｈｓ／λは、約７．２倍の
０．０２０＜Ｈｓ／λ＜０．１５０の範囲となる。
【００３７】
図１５は励振電極１３及び周波数調整用膜１４にＡｌを用いた場合における温度特性を示したものである。図７に示したＡｕの場合と分布パターンは異なるものの、周波数変化量が±１０ｐｐｍ以内となる領域（中央部の濃い部分）が存在していることが確認できる。なお、共振子の温度特性は、励振電極及び周波数調整用膜の重さのみならず、弾性定数や線膨張係数の影響も受けるため、カット角をずらして３次温度特性になるように調整する必要がある。図１５ではオイラー角（０°、３７．３°、０°）にすることでこれらの影響を補正している。また、周波数調整膜にＡｕやＡｌといった金属材料だけではなく誘電材料を用いた場合においても膜厚とカット角の調整により３次温度特性を得ることが出来る。
【００３８】
以上説明したように、本発明の弾性波素子によれば、オイラー角（０±２°、３５〜４０°、０±２°）によってカット形成された水晶基板が３次の温度特性を有し、且つ、位相速度が４５００〜６０００ｍ／ｓの範囲の板波を生じさせることが実証された。また、前記水晶基板の表面に櫛形励振電極、裏面に周波数調整膜を配置した構成されているため、櫛形励振電極及び周波数調整膜の膜厚を所定の範囲で調整することによって、ＡＴカット振動子並みの周波数精度が得られ、発振器を構成した場合において位相雑音やジッタ特性が良好な安定した高周波発振源となる。
【符号の説明】
【００３９】
１１  弾性波素子
１２  水晶基板
１３  櫛形励振電極
１４  周波数調整膜
１５，１６  ＩＤＴ電極
１５ａ，１６ａ  ベース電極部
１５ｂ，１６ｂ  電極指
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図７】
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【図１５】
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